Стальнов А.Ф., Фомин А.И. Операционные системы. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОЙСКОВОЙ ПРОТИВОВОЗДУШНОЙ ОБОРОНЫ

ВООРУЖЕННЫХ СИЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Утверждено

начальником академии

в качестве учебного пособия

для курсантов

Издание академии

2005

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы курсан-

тов при изучении дисциплины “Операционные системы”, а также при вы-

полнении курсового и дипломного проектирования.

Учебное пособие охватывает основные вопросы теории операционных

систем и соответствует по объему и порядку изложения учебной програм-

ме указанной дисциплины.

Авторы: кандидат технических наук, доцент Стальнов А.

Ф.,

кандидат технических наук, доцент Фомин А. И.

Ответственный за выпуск: Стальнов А. Ф.

Редактор Гусева М. Н.

207. Подписано в печать 07.06.2005. Формат 60×84/16.

Уч.-изд. л. 12,8. Усл. печ. л. 16,3. Печ. л. 17,6. Зак. № 197-2005. Бесплатно

Типография ВА войсковой ПВО ВС РФ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................9

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЕРАЦИОННЫХ

СИСТЕМ......................................................................................13

1. Назначение, состав и основные функции операционных систем

и системного программного обеспечения ...........................................13

1.1. Назначение и состав системного программного обеспече-

ния.....................................................................................................13

1.2. Назначение и основные функции операционных систем...........15

1.3. Основные понятия операционных систем ...................................17

2. Классификация операционных систем .................................................21

2.1. Способы классификации операционных систем.........................21

2.2. Классификация операционных систем по

функциональным

возможностям..................................................................................23

2.2.1. ДОС (Дисковые Операционные Системы)........................24

2.2.2. ОС общего назначения ........................................................24

2.2.3. Системы реального времени ...............................................25

2.2.4. Средства кросс-разработки .................................................25

2.2.5. Системы виртуальных машин.............................................26

2.2.6. Системы промежуточных типов.........................................26

2.3. Семейства операционных систем..................................................27

3. Принципы построения операционных систем .....................................29

3.1. Основные принципы построения ОС ...........................................29

3.2. Функциональные компоненты операционной системы..............33

3.2.1. Управление процессами ......................................................33

3.2.2. Управление памятью............................................................35

3.2.3. Управление файлами и внешними

устройствами.............36

3.2.4. Защита данных и администрирование ...............................38

3.2.5. Интерфейс прикладного программирования ....................39

3.2.6. Пользовательский интерфейс .............................................40

3.3. ОС Windows .....................................................................................41

3.3.1. Привилегированный и пользовательский режимы...........41

3.3.2. Уровень абстрагирования от аппаратных средств ...........42

3.3.3. Исполняющая система.........................................................43

3.3.4. Защищенные подсистемы....................................................43

ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ .....................45

1. Архитектура операционной системы...................................................45

1.1. Ядро и вспомогательные модули ОС............................................45

1.1.1. Назначение ядра и вспомогательных модули ОС.............45

1.1.2. Ядро в

привилегированном режиме...................................48

1.1.3. Многослойная структура ОС ..............................................51

1.2. Микроядерная архитектура ...........................................................59

1.2.1. Концепция.............................................................................59

1.2.2. Преимущества и недостатки, микроядерной архи-

тектуры ..................................................................................61

1.3. Аппаратная зависимость и переносимость ОС............................54

1.3.1. Типовые средства аппаратной поддержки ОС..................55

1.3.2. Машинно-зависимые компоненты ОС...............................57

1.3.3. Переносимость операционной системы.............................58

2. Ресурсы операционной системы...........................................................63

2.1. Характеристика ресурсов и способов их использования ...........64

2.1.1. Аппаратные ресурсы............................................................65

2.1.2. Программные ресурсы.........................................................67

2.2. Понятие и

задачи управления ресурсами .....................................68

2.3. Дисциплины распределения ресурсов, используемые в

операционных системах .................................................................70

3. Принципы построения интерфейсов операционных систем..............75

3.1. Интерфейс прикладного программирования ...............................76

3.1.1. Понятие интерфейса прикладного программирова-

ния..........................................................................................76

3.1.2. Реализация функций API на уровне ОС ............................78

3.1.3. Реализация функций API на уровне системы про-

граммирования......................................................................79

3.1.4. Реализация функций API с помощью внешних биб-

лиотек ....................................................................................80

3.2. Платформенно-независимый интерфейс POSIX .........................82

4. Принципы

построения и организации ОС АСУ войсковой ПВО......84

4.1. Общие сведения об операционных системах реального вре-

мени ..................................................................................................84

4.2. Требования, предъявляемые к ОС реального времени ...............87

4.3. Операционные системы образцов АСУ войсковой ПВО ...........89

4.3.1. Операционная система VxWorks........................................89

4.3.2. Операционная система ос2000 (ОСРВ “Багет”)................90

4.3.3. Операционная система QNX...............................................92

4.3.4. Операционная система Linux (МС ВС)..............................95

ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ....................................................97

1. Процессы и потоки..................................................................................97

1.1. Мультипрограммирование .............................................................97

1.1.1. Мультипрограммирование в системах пакетной об-

работки ..................................................................................98

1.1.2. Мультипрограммирование в системах разделения

времени..................................................................................99

1.1.3. Мультипрограммирование в системах реального

времени................................................................................100

1.1.4. Мультипроцессорная обработка.......................................100

1.2. Понятия процесса и потока ..........................................................104

1.3. Идентификатор и дескриптор процесса......................................113

2. Понятие прерываний и их организация в ОС ....................................116

2.1. Назначение и типы прерываний ..................................................116

2.2. Механизм прерываний..................................................................117

3. Диспетчеризация и синхронизация процессов ..................................123

3.1. Планирование и диспетчеризация процессов и задач...............124

3.1.1. Стратегии планирования ...................................................125

3.1.2. Дисциплины диспетчеризации .........................................125

3.2. Приемы и средства синхронизации процессов..........................130

3.2.1. Независимые и взаимодействующие вычислитель-

ные процессы......................................................................130

3.2.2. Средства синхронизации и

связи при проектирова-

нии взаимодействующих вычислительных процес-

сов ........................................................................................135

4. Проблема тупиков и методы борьбы с ними .....................................145

4.1. Понятие тупиковой ситуации и причины их возникновения...145

4.2. Примеры тупиковых ситуаций и причины их возникнове-

ния...................................................................................................148

4.3. Методы борьбы с тупиками .........................................................153

4.3.1. Предотвращение тупиков..................................................153

4.3.2. Обход тупиков....................................................................154

4.3.3. Обнаружение тупика..........................................................158

ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ПАМЯТЬЮ И ДАННЫМИ..........................161

1. Организация и

распределение памяти ................................................161

1.1. Задачи управления памятью ........................................................161

1.2. Способы распределения памяти ..................................................162

1.2.1. Память и отображения, виртуальное адресное про-

странство .............................................................................162

1.2.2. Простое непрерывное распределение и распределе-

ние с перекрытием (оверлейные структуры) ..................166

1.2.3. Распределение статическими и динамическими раз-

делами..................................................................................167

1.3. Распределение оперативной памяти в современных

операционных системах для ПК .................................................172

1.3.1. Распределение оперативной памяти в MS-DOS .............172

1.3.2. Распределение оперативной

памяти в Microsoft Win-

dows 95/98 ...........................................................................175

1.3.3. Распределение оперативной памяти в Microsoft Win-

dows NT ...............................................................................178

2. Механизмы реализации виртуальной памяти ....................................180

2.1. Сегментный способ организации виртуальной памяти ............180

2.2. Страничный способ организации виртуальной памяти ............185

2.3. Сегментно-страничный способ организации виртуальной

памяти ............................................................................................189

3. Управление вводом-выводом...............................................................191

3.1. Основные понятия и концепция организации ввода-вывода

в ОС ................................................................................................192

3.2. Режимы управления вводом-выводом ........................................195

3.2.1. Сущность основных режимов ввода-вывода ..................195

3.2.2. Закрепление устройств, общие устройства вво-

да/вывода.............................................................................197

3.2.3. Основные системные таблицы ввода/вывода..................198

3.2.4. Синхронный и асинхронный ввод/вывод ........................202

3.2.5. Кэширование операций ввода/вывода при работе

с накопителями на

магнитных дисках .............................204

4. Управление данными............................................................................208

4.1. Задачи управления данными........................................................208

4.2. Понятие и функции файловой системы......................................209

4.3. Логическая организация файловой системы..............................211

4.3.1. Типы файлов .......................................................................211

4.3.2. Иерархическая структура файловой системы.................212

4.3.3. Имена файлов .....................................................................213

4.3.4. Монтирование.....................................................................215

4.3.5. Атрибуты файлов ...............................................................217

4.3.6. Логическая организация файла.........................................219

5. Физическая организация файловой системы .....................................222

5.1. Структура магнитного диска .......................................................222

5.2. Файловые системы современных операционных систем .........228

5.2.1. Физическая

организация и адресация файла...................228

5.2.2. Файловая система FAT ......................................................231

5.2.3. Файловая система NTFS ....................................................237

ГЛАВА 5. ЗАЩИТА ПАМЯТИ И ДАННЫХ..............................................245

1. Методы защиты памяти и данных.......................................................245

1.1. Защита памяти ...............................................................................245

1.1.1. Защита по граничным адресам .........................................246

1.1.2. Защита по ключам..............................................................247

1.2. Защита данных...............................................................................249

1.2.1. Задание доступности и полномочий ................................250

1.2.2. Реализация защиты ............................................................252

2. Система безопасности операционной системы .................................257

2.1. Основные понятия безопасности.................................................258

2.1.1. Конфиденциальность, целостность

и доступность

данных .................................................................................258

2.1.2. Классификация угроз.........................................................260

2.1.3. Системный подход к обеспечению безопасности ..........262

2.1.4. Политика безопасности .....................................................263

2.2. Базовые технологии безопасности ..............................................265

2.2.1. Шифрование .......................................................................265

2.2.2. Аутентификация, авторизация, аудит..............................274

2.2.3. Технология защищенного канала.....................................279

3. Аутентификация в современных операционных системах ..............281

3.1. Аутентификация пользователей ..................................................281

3.1.1. Сетевая аутентификация на основе многоразового

пароля ..................................................................................281

3.1.2. Аутентификация с использованием одноразового

пароля ..................................................................................283

3.1.3. Аутентификация на основе сертификатов.......................286

3.2. Аутентификация информации .....................................................290

3.2.1. Цифровая подпись..............................................................291

3.2.2. Аутентификация программных кодов .............................293

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................295

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................303

ВВЕДЕНИЕ

Уже давно прошло время, когда операционных систем вообще не суще-

ствовало. Сегодня операционные системы применяются практически на

всех вычислительных машинах – от гигантских супер-ЭВМ до миниа-

тюрных персональных компьютеров. Операционные системы зачастую

даже в большей степени определяют представление пользователя о маши-

не, чем сама аппаратура этой машины. Например, в

сфере персональных

компьютеров де-факто стандартной стали операционные системы семей-

ства СР/М, так что очень многие фирмы – изготовители компьютеров соз-

дают новые аппаратные средства с ориентацией на эту операционную сис-

тему. Пользователь видит аппаратуру компьютера – скажем дисплей на

электроннолучевой трубке и клавиатуру, – однако функциональные воз-

можности машины ему обеспечивает

операционная система.

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей

вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно

использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затрудне-

ния при попытке дать определение операционной системе. Частично это

связано с тем, что ОС выполняет две по существу малосвязанные функ-

ции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством

пре-

доставления для него расширенной машины и повышение эффективности

использования компьютера путем рационального управления его ресурса-

ми.

ОС как расширенная машина

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка

затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. При работе с диском

программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некото-

рого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом за-

ключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в за-

крытии

файла. Вопросы подобные таким, как какой вид модуляции следу-

ет использовать при записи или в каком состоянии сейчас находится дви-

гатель механизма перемещения считывающих головок, не должны волно-

вать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реа-

лии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного про-

смотра указанных файлов, чтения или записи

– это, конечно, операцион-

ная система. Точно так же, как ОС ограждает программистов от аппарату-

ры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интер-

фейс, операционная система берет на себя все малоприятные дела, связан-

ные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной па-

мятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та аб-

страктная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной

системе, теперь может иметь дело

пользователь, гораздо проще и удобнее

в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстракт-

ной машины.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользова-

телю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче

программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с ап-

паратурой, составляющей реальную машину.

ОС как

система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный

интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Дру-

гой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором меха-

низме, управляющем всеми частями сложной системы. Современные вы-

числительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков,

накопителей на магнитных лентах, сетевых

коммуникационной аппарату-

ры, принтеров и других устройств. В соответствии со вторым подходом

функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и

данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна

управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, что-

бы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Кри-

терием эффективности может быть, например, пропускная способность

или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение двух

общих, не зависящих от типа ресурса, задач:

планирование ресурса – то есть определение, кому, когда, а для дели-

мых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной

информации о том, занят или не занят ресурс,

а для делимых ресурсов –

какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС ис-

пользуют различные алгоритмы, что, в конечном счете, и определяет их

облик в целом, включая характеристики производительности, область

применения и даже пользовательский интерфейс.

Целями обучения

по дисциплине “Операционные системы” являются:

1) изучение и практическое освоение теории, средств и методов по-

строения операционных систем и системного программного обеспечения

ЭВМ АСОИУ;

2) приобретение практических навыков и умений эффективной и тех-

нически грамотной их эксплуатации в практической деятельности.

В результате изучения дисциплины курсант должен